CN112875803A

CN112875803A - 一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺

Info

Publication number: CN112875803A
Application number: CN202110317262.0A
Authority: CN
Inventors: 李金泽; 卜庆伟
Original assignee: Shandong Jinze Water Industry Technology Co ltd; Water Resources Research Institute of Shandong Province
Current assignee: Shandong Jinze Water Industry Technology Co ltd; Water Resources Research Institute of Shandong Province
Priority date: 2021-03-25
Filing date: 2021-03-25
Publication date: 2021-06-01

Abstract

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺。本发明通过系统内循环方式实现将塞流式反应器(PFA)转化为连续搅拌反应器系统(CSTR)实现阴阳离子交换剂通过二氧化碳气体(包括但不限于工业生产的高纯度二氧化碳、工业废气、燃烧废气和大气中补集并收集的二氧化碳、干冰、液体二氧化碳等)的高效再生技术。该方法成功实现低压二氧化碳气体对阴阳离子交换剂的同时再生，并且将再生时间从固定床系统(PFA)的15个小时降低至90分钟，将再生效率比固定床系统提升三倍以上，再生压力降低30％。该工艺使利用工业排放的低纯度(30‑50％)二氧化碳废气进行水体脱盐成为可能，且同时实现40％的碳减排。

Description

一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺

技术领域

本发明属于水处理技术领域，尤其涉及一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统及工艺。

背景技术

由于全球水资源短缺的形式越来越严峻，以及全球气候变暖对碳排放的要求越来越严格，越来越多的研究团队开始致力于水质提升、污水回用和碳减排的研究。

其中，一部分研究者提出通过向海水中加入氨水并吸收二氧化碳废气，生产氯化铵和碳酸钠两种产品，并同时实现海水或苦咸水脱盐。然而，该工艺成本高，而且处理过程中需要加入氨水，提高了处理风险。

另外，现有的研究中出现了一次性通过二氧化碳再生系统的研究，提出了使用二氧化碳进行再生从而达到水体脱盐和去除污染物的思路。但是现有技术中的该工艺具有以下缺点：(1)耗时长，超过15个小时的再生时间；(2)能耗高，需要提供二氧化碳分压为15到25公斤；(3)对设备要求严格，且其二氧化碳消耗量大(30kg/方产水)；(4)利用效率低下，利用率仅为7％，超过80％的二氧化碳重新释放排入大气。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的高成本、高能耗、低效率、低运行时长、低产水率、长再生时间等问题，本发明提出了水质提升、污水回用和碳减排的新思路，提供一种新型二氧化碳驱动的水体脱盐工艺。

本发明针对一次性通过二氧化碳再生系统进行进一步的系统改进和升级，利用新型树脂与树脂组合提升再生效率，利用封闭系统降低二氧化碳排放，利用二氧化碳内循环工艺提高再生过程中二氧化碳的利用效率，使该技术能够符合目前的环境和市场需求，同时实现污水处理、水质提升和碳减排的目标，为生活污水、中水回用提供了低成本、低污染的应用工艺。

本发明通过再生水内循环系统，成功将单次再生废液再次通入二氧化碳气体并加压，使原本的单次通过塞流式反应器(PFR)转型为连续搅拌反应器系统(CSTR)，从而延长了再生的接触时间，提高了再生效率，减少了二氧化碳用量。不同于传统PFR工艺中离子交换发生在再生液与再生废液的界面上，CSTR反应器中的离子交换剂均充分与再生液接触，极大的提高了再生效率，使得反应器内的材料与再生液整体达到共平衡状态。并且，由于再生过程中使用封闭系统，二氧化碳不再随再生进行而持续排放。在产水循环中，该脱盐系统能够重新切换为塞流式反应器，提升产水水质，增加处理效率。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，包括二氧化碳溶解罐、阳离子交换剂罐和阴离子交换剂罐；

所述二氧化碳溶解罐上设置有二氧化碳进气口；

所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道依次与阳离子交换剂罐、阴离子交换剂罐串联，所述连接管道上设置有内循环泵；

所述阴离子交换剂罐的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

优选的，所述二氧化碳溶解罐的二氧化碳进气口通过进气管道与二氧化碳气瓶连接，所述进气管道上设置有压力表，所述二氧化碳溶解罐内设置有二氧化碳布气板，用于均匀分布二氧化碳气体，促进气体溶解并转化为碳酸。

优选的，所述系统为上流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐顶部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

优选的，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的进水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。

优选的，所述系统为下流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐底部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐底部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

优选的，所述阴离子交换剂罐顶部的进水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的出水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。

优选的，所述连接管道和所述内循环管道上均设置有取样口，且取样口处均设置有取样口阀门。

本发明还提供了一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，所述工艺利用上述任一所述的系统进行，包括内循环再生步骤和水体净化步骤；

所述内循环再生步骤具体包括如下步骤：

(1)针对阳离子交换树脂(包括强酸性、弱酸性)的pKa值和实际测量的ζ电位，根据亨利定律计算所需的二氧化碳气体压力：

CO₂(aq)+H₂O→H₂CO₃(aq)

(对于纯度较低的二氧化碳气体则为二氧化碳分压)并与实验结果对比以确定最佳运行压力；

(2)根据阳离子交换剂(包括强酸性、弱酸性)的再生性能测试计算连续搅拌系统中所需的总补充水体积：

V_{循环水体积}＝V_管道水+V_罐内空腔+V_{树脂间隙水}+V_{树脂孔隙水}；

(3)将系统切换至内循环再生模式；

(4)通过内循环泵将循环液体流速调整至2-15阴离子交换剂床体/小时；

(5)通过与二氧化碳溶解罐连接的二氧化碳气瓶对封闭系统加压至2-15公斤(二氧化碳分压)；

(6)封闭系统循环15-120分钟达到阴阳离子交换剂同时再生的效果；

(7)缓慢释放并收集多余的二氧化碳气体并将封闭系统泄压至常压；

(8)将阴离子交换剂罐与阳离子交换剂罐依次连接以进行下一循环的脱盐处理。

优选的，所述系统为上流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：

(1)关闭与阴离子交换剂罐顶部的出水口连接的内循环管道上的阀门，关闭与阳离子交换剂罐底部的进水口连接的连接管道上的阀门，将分支管道上的阀门打开，将系统切换至水体脱盐净化模式；

(2)从与阴离子交换剂罐顶部的出水口连接的分支管道上通入待处理水体；

(3)从与阳离子交换剂罐底部的进水口连接的分支管道上收集处理后水体；

(4)待收集的处理后水体达到/超过用水标准时停止产水，系统进入内循环再生模式。

优选的，所述系统为下流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：

(1)关闭与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接的内循环管道上的阀门，关闭与阳离子交换剂罐底部的出水口连接的连接管道上的阀门，将分支管道上的阀门打开，将系统切换至水体脱盐净化模式；

(2)从与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接的分支管道上通入待处理水体；

(3)从与阳离子交换剂罐底部的出水口连接的分支管道上收集处理后水体；

优选的，其中所需的阳离子交换剂包括但不限于强酸性阳离子交换纤维、弱酸性阳离子交换纤维、强酸性阳离子交换树脂、弱酸性阳离子交换树脂、强酸性潜壳离子交换树脂、弱酸性潜壳离子交换树脂等。

优选的，其中所使用的阴离子交换树脂包括但不限于强碱性阴离子交换纤维、弱碱性离子交换纤维、强碱性离子交换树脂(type I和type II)、弱碱性离子交换树脂、强碱性潜壳离子交换树脂(type I和type II)，弱碱性潜壳离子交换树脂等。

优选的，其中所使用的循环液体包括但不限于污水、自来水、蒸馏水、超纯水、盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶液(如甲醇、乙醇等)等。

优选的，其中所使用的二氧化碳气体包括但不限于工业生产的高纯度二氧化碳、燃烧废气、工业废气和大气中补集并收集的二氧化碳、干冰、液体二氧化碳等。

优选的，其中所使用的二氧化碳溶解罐、阴阳离子交换剂罐材质包括但不限于有机玻璃、玻璃钢、碳钢、锰钢等。

优选的，所述的二氧化碳溶解罐、阴阳离子交换剂罐的内衬包括但不限于橡胶、四氟乙烯等。

优选的，其中所使用的内循环泵包括但不限于往复泵、柱塞泵、活塞泵、隔膜泵、转子泵、螺杆泵、液环泵、齿轮泵、滑片泵、罗茨泵等。

优选的，所述的内循环泵，其材质包括但不限于铸铁、铸铝、316L、双相钢、塑料、玻璃、陶瓷、石墨、铸钢、铸铜、钛合金、铝合金、衬氟等。

优选的，其中所使用的连接管路材料包括但不限于金属(如镀锌管、铜管、不锈钢管、碳钢管、锰钢管等)、塑料(如PE、PVC、UPVC等)、塑复金属、衬氟、衬塑等。

本发明的原理如下：

内循环二氧化碳再生技术实现高容量潜壳离子交换剂的同时脱盐与碳减排。其中利用二氧化碳气体的两性，达到对阴阳离子交换剂的同时再生。

二氧化碳气体溶解于水中根据分压不同可以生成不同浓度的碳酸溶液：

碳酸溶液解离，形成酸性溶液：

氢离子达到一定浓度值后能够再生阳离子交换剂，用氢离子取代其上的阳离子M^+(如钙、镁、钠、钾等离子)：

系统中剩余的碳酸氢根与M^+组成碳酸氢盐溶液进入阴离子交换剂从而再生阴离子交换剂上结合的阴离子A^-(如氯离子、硫酸根、硝酸根等)：

此时形成的盐溶液MA能够提升循环水中的盐度，从而提升离子强度，使二氧化碳的溶解度提高，因而溶解更多的二氧化碳进入循环水，从而使循环水能够继续再生阳离子交换剂和阴离子交换剂，直至整个系统达到平衡。同时，再生阳离子交换剂形成大量的碳酸氢盐，提高了循环水的碱度，使循环水的pH上升，从而使溶解的碳酸进一步解离生成碳酸氢根，提升再生效率和二氧化碳气体的利用率。

因此，通过内循环系统，本发明成功将塞流式反应器(PFR)转型为连续搅拌反应器系统(CSTR)从而延长了再生的接触时间，提高了再生效率，减少了二氧化碳用量。并且，由于再生过程中使用封闭系统，二氧化碳不再随再生进行而持续排放。

有益效果

本发明公开了一种使用二氧化碳作为再生药剂的复合型离子交换脱盐减排工艺，本发明通过系统内循环方式实现将塞流式反应器(PFR)转化为连续搅拌反应器系统(CSTR)实现阴阳离子交换剂通过二氧化碳气体(包括但不限于工业生产的高纯度二氧化碳、工业废气、燃烧废气和大气中补集并收集的二氧化碳、干冰、液体二氧化碳等)的高效再生技术。该方法成功实现低压二氧化碳气体对阴阳离子交换剂的同时再生，并且将再生时间从固定床系统(PFR)的15个小时降低至90分钟，将再生效率比固定床系统提升三倍以上，再生压力降低30％。该工艺使利用工业排放的低纯度(30-50％)二氧化碳废气进行水体脱盐成为可能，且同时实现40％的碳减排。

本发明所述的一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换技术与现有技术相比，至少具有以下几点有益效果：

(1)实现二氧化碳气体再生装置对低盐(500–3000mg/L)生活污水、工业废水的独立处理；

(2)同时实现水体硬度(如钙、镁等离子)、碱度(如氢氧根、碳酸根和碳酸氢根等)和常见盐(如钠盐、钾盐、卤离子盐、硫酸盐、硝酸盐等)的高效去除。其中硬度的去除效率可达95％，碱度的去除效率可达99％，盐的去除效率可达90％；

(3)处理每方水的二氧化碳使用量从已有技术的30kg降低至0.5-1.8kg；

(4)二氧化碳的使用压力由已有技术的15-20个大气压降低至3-15个大气压；

(5)二氧化碳的利用效率由已有技术的5％提升至40％以上；

(6)再生时长由已有技术的15-20小时降低至0.5-2.5小时；

(7)再生容量由已有技术的5-10％提升至30％；

(8)产水率由已有技术的10-20％提升至85-90％；

(9)二氧化碳溢出量由已有技术的80-90％降低至50-65％；

(10)再生过程中不再排放二氧化碳气体；

(11)再生废液的产量由已有技术的25-30床体降低至5-10床体；

(12)二氧化碳溶解罐容量从30个床体降低至10个床体；

(13)再生过程中二氧化碳溶解罐始终处于满水状态因此系统不再作为压力容器处理。

附图说明

图1：内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排示意图。

图2：内循环二氧化碳上流再生系统结构示意图。

图3：内循环二氧化碳下流再生系统结构示意图。

图4：本发明所述内循环二氧化碳再生技术所用的弱酸性阳离子交换剂的结构图；

图5：本发明所述内循环二氧化碳再生技术所用的强碱性阴离子交换剂的结构图；

图6：内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排工艺的循环水最优化体积比计算模型；

图7：控制停留时间为3.8分钟时分别使用一次性通过系统、二氧化碳内循环系统和3％的碳酸氢钠和2％的盐酸溶液再生后的产水数据图；

图8：3％的碳酸氢钠溶液、二氧化碳一次性通过系统和二氧化碳内循环系统的再生曲线图，其中，灰色区域代表二氧化碳内循环系统所再生的氯离子总量；

图9：二氧化碳内循环系统中氯离子的再生效率随再生时间的关系曲线图；

图10：阳树脂单独再生与阴阳树脂复合再生的再生效果对比图；

图11：本发明所述的内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排工艺的主要参数图；

图12：现有技术中已有二氧化碳一次性通过系统与本发明所述二氧化碳内循环系统产水过程中的二氧化碳消耗占比的对比示意图；

图13：生产规模试验(2000方/天)中采集的实际数据图，其中，数据采集日期为2019年12月10日至2020年3月17日；

A是进水(生活污水厂排水)与出水(经过二氧化碳内循环系统处理)的氯离子浓度对比图；

B是同期处理前后的溶解性总固体浓度对比图；

C是二氧化碳内循环日产水量数据图；

D是二氧化碳内循环系统处理吨水的二氧化碳消耗量数据图；

E是同期处理吨水的电量消耗数据图；

图14：两种强碱性阴离子交换剂(I型和II型)在生产过程中连续五个产水循环的离子占比图；

图15：分别将等体积的全新树脂和使用三个月的树脂浸入10％的氯化钠溶液中的颜色对比图；

图16：全新树脂与使用三个月后的树脂容量对比图；

图中：1：二氧化碳溶解罐；2：阳离子交换剂罐；3：阴离子交换剂罐；4：耐高压循环泵；5：阀门-5，6：阀门-6，7：阀门-7；8：阀门-8；9：阀门-9；10：阀门-10；11：阀门-11；12：阀门-12；13：阀门-13；14：阀门-14；15：阀门-15；16：阀门-16；17：阀门-17；18：阀门-18；19：二氧化碳布气板；20：压力表。

具体实施方式

以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。

实施例1

使用潜壳弱酸性阳离子树脂(图4)和I型强碱性阴离子交换树脂(图5)组合，用于去除实际污水厂的氯离子用于热电厂循环冷却水(氯离子浓度要求150mg/L)。通过产水对比，该内循环再生系统能够提供超过90个床体的合格用水。而已有技术一次性通过系统的初始产水氯离子浓度已经超过150，无法生产合格用水。

实施例2

使用弱酸性聚甲基丙烯酸阳离子树脂和II型强碱性阴离子树脂组合，用于去除自来水中的硫酸根。其中一次性通过系统的硫酸根再生效率仅为5％，而内循环再生工艺所提供的硫酸根再生效率为30％。

实施例3

使用潜壳弱酸性阳离子树脂和I型强碱性阴离子树脂组合，用于去除水中超标的硬度和硫酸根。其中一次性通过系统的硫酸根再生效率仅为7％，而相同压力下内循环再生系统所提供的硫酸根再生效率为30％。

实施例4

使用弱酸阳离子树脂和II型强碱性阴离子树脂组合，用于去除水体中超标的硬度和硝酸根。其中，一次性通过系统的硝酸根再生效率仅为3％，而相同压力下内循环再生系统所提供的硝酸根再生效率为25％。

实施例5

使用弱酸阳离子交换纤维和II型强碱性阴离子树脂组合，用于自来水软化。其中一次性通过系统的二氧化碳利用率仅为7％，而相同压力下内循环再生系统所提供的二氧化碳利用率为40％。

实施例6

使用弱酸阳离子交换树脂和II型强碱性阴离子树脂组合，用于糖厂杂质去除，其中一次性通过系统的二氧化碳消耗量为4.5kg/方，而相同压力下内循环再生系统的二氧化碳消耗量仅为0.8kg/方。

实施例7

使用潜壳弱酸阳离子树脂和I型强碱阴离子树脂组合，用于生产规模试验(图14)以循环使用生活污水。其日产水量达到2000方，处理成本仅为原有反渗透设备的三分之二，并且耗电量大大降低，因此证实，该工艺有商业化潜力和广泛的应用前景。

实施例8

对于无法排放浓水的企业，二氧化碳内循环系统脱盐不需要使用传统的酸、碱、盐再生剂，大大降低二次污染，提高产水率，为缺水地区回用水提供了可行工艺。

图1是内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排示意图。其中工厂排放的含二氧化碳废气可收集后用于再生复合型阴阳离子交换剂，复合型阴阳离子交换剂能够对工厂排放的污水和废水进行脱盐回用。

图2是内循环二氧化碳上流再生系统结构示意图，图2中阀门7-10为取样口阀门。

其中内循环再生步骤的操作流程为：

(1)仅打开阀门-6、阀门-7、阀门-10，从7处加入适量循环水；

(2)仅打开阀门-6、阀门-11、阀门-12、阀门-13、阀门-14、阀门-15，构建内循环管路；

(3)打开内循环泵4，并调整至系统所需流速；

(4)待系统稳定后打开阀门-5并调节二氧化碳气瓶压力至所需压力；

(5)待一定再生时间或取样口浓度不再发生变化后停止内循环泵4，关闭阀门-5，由阀门-8泄压并排水；

(6)排水完成后再生过程结束。

水体净化步骤的操作流程为：

(1)仅打开阀门-8、阀门-9、阀门-11、阀门-12、阀门-13构成产水系统；

(2)由阀门-9处通入待处理水体(进水)，待处理水体首先进入阴离子交换剂罐3进行阴离子交换处理，然后处理后的水从阴离子交换剂罐3排出后经阀门-13、阀门-12进入阳离子交换剂罐2进行阳离子交换处理，然后处理后的水从阳离子交换剂罐2排出后经阀门-11、阀门-8，由阀门-8处收集处理后水体(出水)；

(3)待处理出水达到/超过用水标准时停止产水，系统进入再生循环中。其中一次性通过系统的操作流程为：

(1)仅打开阀门-6、取样口阀门-8、取样口阀门-10、阀门-11、阀门-12、阀门-13、阀门-14、阀门-15、阀门-16；

(2)由取样口阀门-8处加水，直至水从取样口阀门-10处排出，此时系统中为满水状态；

(3)仅打开5、6、11、12、13构成一次性通过系统管路；

(4)缓慢提升二氧化碳压力至所需要求；

(5)系统稳定后缓慢调节9，至流速稳定后利用二氧化碳气瓶压力产水直至所需床体数或二氧化碳溶解罐中水量耗尽。

图3是内循环二氧化碳下流再生系统结构示意图，12、15-18为取样口阀门。

其中内循环再生步骤的操作流程为：

(1)仅打开阀门11、17、18，从17处加入适量循环水，随后关闭所有阀门；

(2)仅打开阀门6-11，构建内循环管路；

(3)打开内循环泵，并调整至系统所需流速；

(4)带系统稳定后打开阀门-5并调节二氧化碳气瓶压力至所需压力；

(5)待一定再生时间或取样口浓度不再发生变化后停止内循环泵，关闭阀门-5，由取样口15泄压并排水；

(6)排水、泄压完成后再生过程结束。

水体净化步骤的操作流程为：

(1)仅打开阀门8、12-15构成产水系统；

(2)由阀门12处通入待处理水体(进水)；

(3)由阀门15处收集处理后水体(出水)；

(4)待处理出水达到/超过用水标准时停止产水，系统进入再生循环中。其中一次性通过系统的操作流程为：

(1)仅关闭阀门15、16、17；

(2)由阀门18处加水，直至水从阀门12处排出，关闭阀门12，并打开阀门17，继续加水至水从阀门17处排出，此时系统中为满水状态；

(3)仅打开阀门6-10构成一次性通过系统管路；

(4)缓慢提升二氧化碳压力至所需要求；

(5)系统稳定后缓慢调节水阀17，至流速稳定后利用二氧化碳气瓶压力产水直至所需床体数或二氧化碳溶解罐中水量耗尽。

图6为本发明所述内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排工艺的循环水最优化体积比实验数据与计算模型，用于确定不同交换剂组合的最优循环水体积。

本发明所述内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排工艺与已有一次性通过系统工艺的产水水质与再生效率进行对比。其中图7是是控制停留时间为3.8分钟时分别使用一次性通过系统、二氧化碳内循环系统和3％的碳酸氢钠和2％的盐酸溶液再生后的产水数据；图8是3％的碳酸氢钠溶液、二氧化碳一次性通过系统和二氧化碳内循环系统的再生曲线，其中，灰色区域代表二氧化碳内循环系统所再生的氯离子总量；图9是二氧化碳内循环系统中氯离子的再生效率随再生时间的关系曲线。

图10是阳树脂单独再生与阴阳树脂复合再生的再生效果对比。可以发现，当接触时间仅为30分钟时，通过再生阳树脂得到的碳酸氢根仅为3000mg/L，而将接触时间延长至90分钟后通过再生阳树脂所得的碳酸氢根浓度达到7000mg/L以上，而若使已有技术的空床接触时间达到90分钟，再生总时间将从先有的15个小时提高到45个小时，再生时间进一步延长，严重阻碍该技术的实际应用。而本发明将原有的塞流式反应器改进为连续搅拌反应器系统，仅需要90分钟就可以完成所需再生，并且阳树脂的再生效率提升170％，通过加入阴树脂进行共同再生，阳树脂再生效率共提升260％。而阴树脂再生率相较于已有技术提高4-5倍。

图11是本发明所述的内循环二氧化碳再生技术实现离子交换剂的同时脱盐与碳减排工艺的主要参数。其中A是连续三个循环水体脱盐过程中，二氧化碳内循环工艺与已有工艺(3％碳酸氢钠再生与二氧化碳一次性通过系统)的再生容量对比；B是二氧化碳内循环工艺与已有工艺的处理成本和产水率对比。通过对比发现本发明所述的二氧化碳内循环工艺降低处理成本的同时实现了与传统3％小苏打再生相近的产水率。

图12是已有二氧化碳一次性通过系统与本发明所述二氧化碳内循环系统产水过程中的二氧化碳消耗占比的对比示意图。其中，对于已知实际水样，现有技术中的一次性通过系统的吨水处理二氧化碳消耗为30kg，而本发明所述内循环系统的吨水处理消耗仅为1.5-2.0kg。现有技术中的一次性通过系统中二氧化碳的消耗占比仅为7％，而本发明所述二氧化碳内循环系统的消耗占比接近40％，证明本发明所述内循环工艺有效提高了二氧化碳的利用效率。现有技术中的一次性通过系统中排入大气的二氧化碳占比超过80％，而本发明所述内循环工艺的二氧化碳排放低于60％，进一步证实本发明所述内循环系统提升了二氧化碳利用率，并且降低碳排放。

图13是生产规模试验(2000方/天)中采集的实际数据，其中，数据采集日期为2019年12月10日至2020年3月17日。A是进水(生活污水厂排水)与出水(经过二氧化碳内循环系统处理)的氯离子浓度对比；B是同期处理前后的溶解性总固体浓度对比；C是二氧化碳内循环日产水量数据；D是二氧化碳内循环系统处理吨水的二氧化碳消耗量数据；E是同期处理吨水的电量消耗数据。

图14是两种强碱性阴离子交换剂(I型和II型)在生产过程中连续五个产水循环的离子占比。其中，I型树脂中硝酸根和硫酸根的积累明显，经过五次再生后接近50％的树脂容量被氯离子、硝酸根和硫酸根占据，导致系统处理能力降低，处理成本升高；II型树脂经过五次使用和再生后有20％的树脂容量被氯离子、硝酸根和硫酸根占据，说明对于二氧化碳再生工艺，II型树脂的再生更加充分。

将全新树脂与使用三个月后的树脂的容量进行实验对比。其中图15是分别将等体积的全新树脂和使用三个月的树脂浸入10％的氯化钠溶液中的颜色对比，其中黄色成分为污水中存在有机物(如腐殖酸、黄腐酸等)；图16是I型和II型树脂的容量变化，其中I型树脂的初始容量较高，经过三个月使用后均为出现明显的容量衰减。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于：包括二氧化碳溶解罐、阳离子交换剂罐和阴离子交换剂罐；所述二氧化碳溶解罐上设置有二氧化碳进气口；所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道依次与阳离子交换剂罐、阴离子交换剂罐串联，所述连接管道上设置有内循环泵；所述阴离子交换剂罐的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

2.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述二氧化碳溶解罐的二氧化碳进气口通过进气管道与二氧化碳气瓶连接，所述进气管道上设置有压力表和阀门，所述二氧化碳溶解罐内设置有二氧化碳布气板。

3.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述系统为上流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐顶部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐底部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

4.根据权利要求3所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述阴离子交换剂罐顶部的出水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的进水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。

5.根据权利要求1所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述系统为下流系统，所述二氧化碳溶解罐底部的出水口通过连接管道与阳离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阳离子交换剂罐底部的出水口通过连接管道与阴离子交换剂罐顶部的进水口连接，所述阴离子交换剂罐底部的出水口通过内循环管道与所述二氧化碳溶解罐顶部的进水口连通。

6.根据权利要求5所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换系统，其特征在于，所述阴离子交换剂罐顶部的进水口还通过分支管道与待处理水体进水口连接，且所述内循环管道和分支管道上均设置有阀门；所述阳离子交换剂罐底部的出水口还通过分支管道与处理后水体出水口连接，且所述连接管道和分支管道上均设置有阀门。

7.一种同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，其特征在于，所述工艺利用权利要求1-6任一所述的系统进行，包括内循环再生步骤和水体净化步骤；

所述内循环再生步骤具体包括如下步骤：

(1)针对阳离子交换树脂的pKa值和实际测量的ζ电位，根据亨利定律计算所需的二氧化碳气体压力，并与实验结果对比以确定最佳运行压力；

(2)根据阳离子交换剂的再生性能测试计算连续搅拌系统中所需的总补充水体积；

(3)将系统切换至内循环再生模式；

(5)通过与二氧化碳溶解罐连接的二氧化碳气瓶对封闭系统加压至2-15公斤；

(6)系统循环15-120分钟达到阴阳离子交换剂同时再生的效果；

8.根据权利要求7所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，其特征在于，所述系统为上流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：

9.根据权利要求7所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，其特征在于，所述系统为下流系统时，所述水体净化步骤具体包括如下步骤：

10.根据权利要求7所述的同时实现水体净化与碳减排的循环二氧化碳再生离子交换工艺，其特征在于，所述的待处理水体包括但不限于污水、自来水、蒸馏水、超纯水、盐溶液、酸溶液、碱溶液、有机溶液；

所用的二氧化碳气体包括但不限于工业生产的高纯度二氧化碳、燃烧废气、工业废气和大气中补集并收集的二氧化碳、干冰、液体二氧化碳。